光纖陀螺作為一種新型的全固態(tài)慣性儀表, 具有耐沖擊、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、檢測靈 敏度和分 辨 率 高、動 態(tài) 范 圍 寬、啟 動 時 間 短 等 特 點。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展,干涉式光纖陀螺完 成了從實驗室研發(fā)到工程化的過程,中低精度的光 纖陀螺已經(jīng)商品化,并在多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。高 精度光纖陀螺的開發(fā)和研制也進入成熟階段,已經(jīng) 開始工程化應(yīng)用。目前,國外的光纖陀螺研制水平 領(lǐng)先于國內(nèi),主要原因包括其起步時間遠早于國內(nèi) 的研制單位;另外,國外先進國家在材料加工與控 制設(shè)備領(lǐng)域都相對國內(nèi)有著絕對的優(yōu)勢。我國對 于光纖陀螺的研制由于起步較晚、設(shè)備相對落后, 因而在光纖陀螺的研制方面仍然存在許多不足,主 要包括光纖材料性能、光纖環(huán)的繞制、光學(xué)器件的 穩(wěn)定性等方面。光纖環(huán)是光纖陀螺的核心敏感元 件,光纖環(huán)的溫度性能已經(jīng)成為限制高精度光纖陀 螺工程化應(yīng)用的瓶頸問題。而光纖環(huán)的溫度性能 主要取決于光纖環(huán)的繞制與灌封技術(shù),目前國內(nèi)光 纖環(huán)的繞制方法主要采用正交繞法,包括四極、八 極、十六極,但受繞線機自動化水平的限制,所繞制的光纖環(huán)的溫度性能并沒有完全體現(xiàn)出正交繞法 理論上對于光纖環(huán)溫度性能的改善程度。例如理 論上八極繞法與四極繞法相比,或者四極繞法與二 極繞法相比,其溫度性能應(yīng)當提高1倍,但實際成環(huán) 后的結(jié)果,僅四極繞法相對二極繞法對光纖環(huán)溫度 性能的提高較為明顯,而其他各極繞法受限于繞線 機的控制水平而夾雜過多的人為干擾,導(dǎo)致最終成 環(huán)的效果并沒有明顯的優(yōu)異性。而對于繞線機的 自動化控制水平則與研制繞線機的器件材料性能 和自動化控制技術(shù)水平等有關(guān),短時間內(nèi)無法迅速 得到提升。
本文基于以上現(xiàn)狀,根據(jù)光纖環(huán)的成環(huán)工藝過程,提出了切實可行的改善光纖環(huán)成環(huán)質(zhì)量的方法。通過應(yīng)用高精度保偏光纖應(yīng)力分析儀,檢測光纖線圈繞制完成后的應(yīng)力分布狀態(tài),對比光纖線圈中點兩側(cè)應(yīng)力狀態(tài)的不對稱性,反饋調(diào)節(jié)繞線機2個供纖輪的張力平衡,形成繞線機—光纖線圈—應(yīng)力分析儀—繞線機的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)機制。最終使繞線機的張力控制系統(tǒng)處于真正的平衡狀態(tài),保證繞制完成后光纖線圈中點兩側(cè)的應(yīng)力狀態(tài)保持對稱平衡。以上方法使光纖環(huán)成環(huán)后的溫度性能得到了有效提升,且該方法在當前條件下即可實施,具有非常高的實用價值。
2 繞線機張力控制不對稱性問題分析
2.1 繞線機工作原理
以四極對稱繞線機為例,如圖2所示,光纖由中 點對稱繞在 A 、 B 2個供纖輪上,然后分層交替為繞 制光纖線圈的骨架提供光纖。繞線機的張力控制 采用重力平衡張力輪(舞蹈輪平衡)控制方法,就是 在由 A 或B供纖環(huán)向光纖環(huán)供纖纏繞過程中,依靠舞蹈輪的重力控制光纖的張力。根據(jù)舞蹈輪軸臂 角度的調(diào)整控制光纖纏繞到光纖線圈骨架上的張 力,在張力控制系統(tǒng)中通過傳感器在線檢測光纖張 力大小,并反饋控制穩(wěn)定張力在設(shè)定值誤差范圍 內(nèi)。在光纖線圈繞制過程中,為了保證光纖環(huán)的互 易性,必須要求 A 、 B 兩供纖輪的張力參數(shù)設(shè)置一 致,保證繞制完成后的光纖線圈中點兩側(cè)的光纖應(yīng) 力保持對稱平衡。
2.2 繞線機張力控制不對稱性檢測與分析
應(yīng)用高精度保偏光纖應(yīng)力分析儀,對繞線機繞制完成的光纖線圈的應(yīng)力分布狀態(tài)進行檢測,以驗證繞線機張力控制系統(tǒng)的狀態(tài)。在繞線機2個供纖輪 A 、B 的張力參數(shù)設(shè)置一致的情況下,隨機抽取其中一個光纖線圈,圖 3 所示為該光纖線圈的應(yīng)力分布狀態(tài)。
圖3中,紅線表示光纖線圈中點左側(cè)光纖應(yīng)力 均值,綠線表示光纖線圈中點右側(cè)光纖應(yīng)力均值。 根據(jù)光纖線圈的應(yīng)力狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn),光纖線圈的中 點左側(cè)光纖應(yīng)力均值為-5719.585 μ ε ,右側(cè)光纖應(yīng) 力均值為 -5920.940 μ ε ,應(yīng)力差為 201.355 μ ε 。由 此可以看出,繞線機在繞制光纖線圈的過程中,光纖線圈中點左右兩側(cè)光纖的繞線張力有明顯的差距,在繞制完成的光纖線圈中以應(yīng)力值來判斷,兩側(cè)光纖存在著一個約200μ ε 的穩(wěn)定的應(yīng)力差值。這種不對稱性的存在對光纖環(huán)的溫度性能具有非常大的影響,根據(jù)應(yīng)變值與溫度的對應(yīng)關(guān)系,1℃的溫度變化引起20μ ε 的變化。因此,由于繞線機張力控制系統(tǒng)的不對稱性相當于光纖線圈中點左右兩側(cè)光纖處在10℃溫差的環(huán)境狀態(tài)下,雖然這僅是從應(yīng)力狀態(tài)方面的反向推導(dǎo),且光纖線圈灌膠后的應(yīng)力狀態(tài)會有所改變,但這種不對稱性對提高光纖環(huán)成環(huán)質(zhì)量仍然是不容忽視的問題。
基于以上發(fā)現(xiàn)的問題,本文提出了一種根據(jù)應(yīng)力分析儀測得的應(yīng)力狀態(tài)來反饋調(diào)節(jié)繞線機張力的方法。應(yīng)用高精度保偏光纖應(yīng)力分析儀對繞線機繞制完成的光纖線圈進行跟蹤檢測,根據(jù)其應(yīng)力狀態(tài)逐步調(diào)整繞線機的張力控制系統(tǒng),形成如圖4所示的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)機制。首先繞線機根據(jù)初始設(shè)定的張力控制參數(shù)繞制完成光纖線圈,然后光纖 線 圈 交由 應(yīng)力分 析儀檢測應(yīng)力分 布 狀態(tài)。通過應(yīng)力分布狀態(tài)的對稱性分析,得到光纖環(huán)中點兩側(cè)應(yīng)力不對稱性的大小,以此不對稱性差值來調(diào)節(jié)繞線機張力控制系統(tǒng)。一般經(jīng)過 2 次調(diào)整即可實現(xiàn)光纖環(huán)應(yīng)力整體上的對稱性:通過第一次的調(diào)整過程,可以得到該繞線機張力控制參數(shù)與光纖環(huán)成環(huán)后應(yīng)力不對稱性的對應(yīng)比例關(guān)系,參考該比例系數(shù),對繞線機左右供纖輪的張力控制參數(shù)進行相應(yīng)比例的調(diào)整,可以實現(xiàn)光纖環(huán)整體對稱性的提高。
2.3 實驗結(jié)果分析
本文以圖3所示光纖環(huán)的繞線機為實驗對象,根據(jù)光纖線圈1的應(yīng)力不對稱性,對繞線機的張力控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。按照圖4所示過程,經(jīng)過2次調(diào)節(jié)以后,該繞線機繞制的光纖線圈的應(yīng)力狀態(tài)對稱性得到了明顯的改善。根據(jù)上述方法調(diào)節(jié)后,從繞線機繞制的光纖線圈中隨機抽取2個光纖線圈進行應(yīng)力狀態(tài)測試,其測試結(jié)果如圖5 、圖6所示。從圖中可以看出,經(jīng)過對繞線機兩側(cè)張力調(diào)整后,繞制的光纖線圈中點兩側(cè)的應(yīng)力均值基本處于同一水平,將該光纖環(huán)灌封固化后,進行裝表測試,其整表性能與調(diào)整繞線機張力之前繞制的光纖環(huán)相比,也得到了一定程度的提高,表明了該方法對于改善光纖環(huán)性能的意義。但由于繞線機自身機械精密程度和控制水平的限制,光纖環(huán)的整體性能仍然存在一定的缺陷。對于不同的繞線機,其張力控制系統(tǒng)存在一定的差異,其冗差和參考基準也有所不同,應(yīng)用以上方法分別對每一臺繞線機進行張力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié),使繞線機的整體生產(chǎn)質(zhì)量水平得到了提升。
本文通過實驗檢測,對當前光纖環(huán)成環(huán)工藝中光纖線圈繞制水平進行了重點研究,形成了一套通過應(yīng)力分析儀作為反饋回路檢測設(shè)備、調(diào)整繞線機張力穩(wěn)定性的方法。經(jīng)過該方法調(diào)整后,對繞線機繞制的光纖環(huán)進行整表測試,相比調(diào)整繞線機之前所繞制的光纖環(huán),陀螺性能得到了一定程度的提高,表明了該方法的有效性。在本文的研究過程中,發(fā)現(xiàn)的問題主要是,光纖環(huán)繞線機的機械結(jié)構(gòu)老舊,精密匹配不足,張力控制系統(tǒng)落后,張力檢測精度較低。從圖5和圖6可以看出,光纖線圈的各層光纖的應(yīng)力存在較為明顯的波動,直接在制作過程中加入了光纖環(huán)的非互易性,將嚴重影響光纖環(huán)的成環(huán)性能。但對繞線機的更新?lián)Q代目前還不具備條件,接下來將對目前的溫度時效處理方法進行深入的研究,探索更為有效的溫度時效處理方法,以期在現(xiàn)有條件下,充分改善光纖環(huán)的成環(huán)質(zhì)量。
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